CN107845601A - 利用平顶纳秒紫外激光拆键合的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了利用平顶纳秒紫外激光拆键合的方法,激光以呈平顶分布的光斑辐照于键合片,键合片由载体、涂覆至载体的释放层、涂覆至释放层的粘合层、涂覆至晶圆的保护层以及晶圆键合形成。纳秒紫外激光辐照键合片,打断键合胶的化学键,使其失去黏性,从而分开键合的载体与晶圆。该方法不仅避免了键合胶的损伤,改善了拆键合质量,而且提高了激光拆键合的加工效率。平顶分布的紫外激光辐照键合片,其加工效率比高斯分布的激光高数倍。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用平顶纳秒紫外激光拆键合的方法,纳秒紫外激光辐照键合片,分开键合的载体与晶圆。
背景技术
IBM(international business machine,国际商用仪器)公司,提出了减薄半导体衬底的方法(专利号CN 101764047 B)。该专利采用双层键合胶结构,在半导体晶圆衬底上施加粘合层,在载体上施加激光烧蚀粘合层,即释放层,然后将粘合层结合到释放层。虽然释放层吸光度高,但是释放层成本高、黏性差,厚度不到1μm,吸收的激光有限。而粘合层对激光的透过率高,激光可能透过双层键合胶,损伤晶圆。为了避免晶圆损伤,本专利增加了保护层,采用释放层、粘合层和保护层的三层键合胶结构。由于释放层厚度远小于保护层的厚度,因此涂覆到释放层的粘合层,均匀性优于涂覆到保护层的粘合层。
IBM(international business machine,国际商用仪器)公司,提出了激光拆键合方法(专利号CN 104718605 B)。但该专利用到的355nm的二极管泵浦的三倍频YAG激光器,属于固体激光器,激光器产生的光束呈高斯型。激光在谐振腔中振荡,光束自再现,光束形状必须满足亥姆霍兹方程,而厄米高斯函数是赫姆霍兹方程的解。因此激光器出射的光斑,可以用厄米高斯函数表示,激光器出射的光斑通常为基模高斯光束。基模高斯光束经过IBM专利中的反射镜、振镜等元件,光束仍然为高斯分布,这是博伊德和戈登的理论证明过的。由于此性质,高斯光束适合几米以及更远距离的传输。然而,高斯光束具有易损伤键合胶、能量利用率低的缺点。坐标(x,y)和时刻t下,高斯光束的光强I(x,y,t)表示如下,
式中wxG和wyG分别表示高斯光束在x和y方向的腰斑半径,τp表示脉宽,I0G表示峰值光强。光强I(x,y,t)在时间和空间上积分,等于单脉
冲能量Ep,I0G表示如下,
式中πwxGwyG表示高斯光束的腰斑面积。腰斑面积内,集中了高斯光束86.5%的能量,因此单脉冲的加工面积近似等于腰斑面积,加工面积SG表示如下,
如果对高斯光束进行空间整形,使其变为平顶光束,激光单脉冲能量和脉宽不变。平顶光束的光强I0T表示如下,
式中4wxTwyT表示高斯光束的腰斑面积。平顶光束的单脉冲的加工面积表示如下,
若平顶光束的峰值光强等于高斯光束腰斑半径处的光强,即I0T=I0G/e2,则平顶光束和高斯光束的加工面积之比R表示如下,
由上式可知,平顶光束的光斑面积,是高斯光束的369.5%。相同加工面积、单脉冲能量和脉宽下,加工时间与光斑面积成反比,因此加工效率与光斑面积成正比,平顶光束的加工效率比高斯光束高269.5%。
平顶光束除了提高加工效率,还能提高加工的均匀性。高斯光束和平顶光束的分布如图3所示,横轴为归一化的径向位置,即径向位置除以腰斑半径;纵轴是归一化的光强,即光强除以I0G。
归一化的径向位置在-1到1之间,高斯光束出现一个峰,峰值光强是腰斑半径处的7.4倍。高斯光束中的峰,很可能导致加工区域的过度损伤。归一化的径向位置属于(-∞,-1)U(1,+∞),高斯光束的光强弱,难以用于拆键合,该区域内的能量占高斯脉冲的13.5%,这部分能量不仅被浪费掉,而且被键合胶吸收后产生热。平顶光束有效地避免了这两个问题,平顶光束分布均匀,腰斑半径是高斯光束腰斑半径的1.92倍;平顶分布所有的能量都能被充分利用,因此提高了激光能量的利用效率,降低了热影响。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足,提供一种利用平顶纳秒紫外激光拆键合的方法,旨在避免键合胶的损伤,改善拆键合质量。
本发明的目的通过以下技术方案来实现:
利用平顶纳秒紫外激光拆键合的方法,特点是:激光以呈平顶分布的光斑辐照于键合片,所述键合片由载体、涂覆至载体的释放层、涂覆至释放层的粘合层、涂覆至晶圆的保护层以及晶圆键合形成。
进一步地,上述的利用平顶纳秒紫外激光拆键合的方法,其中,所述保护层涂覆至晶圆上,不同于保护层的释放层涂覆至载体上,保护层及释放层固化后,将不同于保护层及释放层的粘合层涂覆到释放层上,再将粘合层与保护层相粘结。
进一步地,上述的利用平顶纳秒紫外激光拆键合的方法,其中,所述光斑通过振镜快速移动。
进一步地,上述的利用平顶纳秒紫外激光拆键合的方法,其中,所述辐照于键合片上的光斑面积为0.000824~0.419mm2。
进一步地,上述的利用平顶纳秒紫外激光拆键合的方法,其中,所述平顶分布的光斑的尺寸形状为29.0~647μm的正方形。
进一步地,上述的利用平顶纳秒紫外激光拆键合的方法,其中,所述载体的厚度大于300μm。
进一步地,上述的利用平顶纳秒紫外激光拆键合的方法,其中,所述保护层的厚度为5~50μm。
进一步地,上述的利用平顶纳秒紫外激光拆键合的方法,其中,所述释放层的厚度为0.1~1μm。
进一步地,上述的利用平顶纳秒紫外激光拆键合的方法,其中,所述粘合层的厚度为10~50μm。
进一步地,上述的利用平顶纳秒紫外激光拆键合的方法,其中,提供平顶分布光斑的激光设备包含沿光路依次布置的激光器、用以改变光束各点相位的衍射光学元件、振镜以及场镜。
进一步地,上述的利用平顶纳秒紫外激光拆键合的方法,其中,还包含用于检测光斑的光束分析仪。
进一步地,上述的利用平顶纳秒紫外激光拆键合的方法,其中,所述激光器是功率为1.64~4.99W的激光器。
进一步地,上述的利用平顶纳秒紫外激光拆键合的方法,其中,所述激光器的重复频率为7.8~873kHz。
进一步地,上述的利用平顶纳秒紫外激光拆键合的方法,其中,所述激光器的波长范围是343~355nm。
进一步地,上述的利用平顶纳秒紫外激光拆键合的方法,其中,所述激光器的激光光束质量因子M2小于等于1.5。
本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果,具体体现在以下方面:
①本发明利用纳秒紫外激光辐照键合片,打断键合胶的化学键,使其失去黏性,从而分开键合的载体与晶圆;不仅避免了键合胶的损伤,改善了拆键合质量,而且提高了激光拆键合的加工效率;
②由于紫外激光的光子能量高,当紫外纳秒激光辐照键合胶时,激光打断键合胶的化学键,平顶分布的激光光强均匀,键合胶被辐照的区域内各点断裂的化学键的数目接近;平顶分布的紫外激光辐照键合片后,键合胶失去黏性,键合的载体和晶圆分开;解决激光拆键合中,高斯光束带来的速度慢和过度损伤等问题;
③相同加工面积、单脉冲能量和脉宽下,加工时间与光斑面积成反比,因此加工效率与光斑面积成正比,平顶光束的加工效率比高斯光束高2.7倍;相同的加工效率要求下,平顶光束所需的激光功率低,因此平顶光束拆键合所需的激光器功率比高斯光束所需的功率低,拆键合系统成本低;
④功率为1.64的拆键合系统,用来拆8英寸的玻璃和硅晶圆的键合片,使用高吸收率的激光型键合胶,效率能达到60片/小时,此效率能够较好满足晶圆的封装要求。
附图说明
图1:键合片的结构示意图;
图2:激光设备的光路传输示意图;
图3:相同单脉冲能量的高斯光束与平顶光束的分布示意图;
图4:光束分析仪检测的平顶分布光斑的照片;
图5a:激光的轨迹组成的圆形轮廓图;
图5b:激光的轨迹局部放大图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解,现详细说明具体实施方案。
利用平顶纳秒紫外激光拆键合的方法,激光以呈平顶分布的光斑辐照于键合片,如图1所示,键合片由载体51、涂覆至载体的释放层52、涂覆至释放层的粘合层53、涂覆至晶圆的保护层54以及晶圆55键合形成。利用纳秒紫外激光A辐照键合片,打断键合胶的化学键,使其失去黏性,从而分开键合的载体51与晶圆55。
键合片的键合过程为:首先将保护层54涂覆至晶圆55上,不同于保护层的释放层52涂覆至载体51上,保护层54及释放层52固化后,将不同于保护层及释放层的粘合层53涂覆到释放层52上,再将粘合层53与保护层54相粘结。
光斑通过振镜进行快速移动。辐照于键合片上的光斑面积为0.000824~0.419mm2。平顶分布的光斑的尺寸形状为29.0~647μm的正方形。
载体51的厚度大于300μm,厚度越大,载体强度越高;保护层54的厚度为5~50μm;释放层52的厚度为0.1~1μm;粘合层53的厚度为10~50μm。
如图2所示,提供平顶分布光斑的激光设备包含沿光路依次布置的激光器1、用以改变光束各点相位的衍射光学元件2、振镜3以及场镜4,还设有用于检测光斑的光束分析仪6。激光器1出射激光,依次经过衍射光学元件2和振镜3,由场镜4汇聚到平台7上的键合片5上。光束分析仪6通过平台7移动到聚焦后的光斑处,监测光斑尺寸。光束分析仪6检测的光斑的形状如图4。
光束分析仪6中的相机,与键合片样品表面具有固定的高度差。移动Z轴,使光斑尺寸调节到设计值,然后将键合片样品移动到场镜下。
激光器1是功率为1.64~4.99W的激光器。激光器1的重复频率为7.8~873kHz。激光器1的激光光束质量因子M2小于等于1.5,保证实际获得的平顶的光斑,与设计值接近。由于衍射光学元件,按理想高斯光束,即M2=1.0的光束设计,因此M2越大,实际的光斑与设计值偏差越大。
激光器1的波长范围是343~355nm。激光器采用掺Yb和Nd离子的增益介质,输出的常见波长分别是1030nm和1064nm的基频光,基频光经过倍频及和频后,分别变成波长为343nm和355nm的紫外激光。紫外激光的波长包括343~355nm、308nm、266nm和248nm、193nm等。玻璃的透过率随波长减小而降低,载体玻璃在343~355nm的透过率,高于玻璃在308nm、266nm、248nm和193nm处的透过率。相同入射功率下,经过玻璃后的343~355nm激光的功率,高于308nm、266nm、248nm和193nm激光的功率,因此343~355nm的激光更适合用来拆键合。
激光脉宽为纳秒,对于纳秒甚至更长的长脉冲激光,加工阈值与脉宽的根号成正比,因此纳秒激光的加工阈值低于微秒激光。纳秒激光采用调Q技术,相比于需要锁模的皮秒、飞秒激光,结构简单性能稳定,元件少成本低。此外,纳秒激光重复频率高。因此,纳秒激光适用于拆键合。
衍射光学元件2改变光斑各点处的相位,使激光经过场镜4后,变成平顶分布而非高斯分布。相同单脉冲能量的高斯光束与平顶光束的分布对比如图3所示。
平台7在XY平面上移动,如果振镜3的单次扫描区域,小于键合片5的尺寸,那么平台要与振镜配合,实现拼接。平台7的最小尺寸和移动范围,由键合片尺寸决定。
激光的轨迹必须覆盖整个晶圆,可以按“Z”字形移动。“Z”字形图案如图5a,图案尺寸比晶圆尺寸长5%,保证激光焦点的移动区域,覆盖整个晶圆。比如直径为200mm的8寸晶圆,图案的直径为210mm。8寸的晶圆,若线段间距为277μm,即0.2770mm,则“Z”字形需要758条线段,线段如图5b所示,图5b是图5a放大后的效果。值得注意的是,“Z”字形图案中,各线段的顶点组成圆形轮廓。圆的面积比边长等于圆直径的正方形减小1-π/4=21.5%,此方法可以缩短加工时间21.5%。。
具体应用时,激光透过载体51辐照释放52层,打断释放层52的化学键,使释放层52失去黏性,从而拆开载体和晶圆。由于释放层厚度不到1μm,吸收的激光有限,而粘合层53对激光的透过率高,激光可能透过双层键合胶,损伤晶圆。为了避免晶圆损伤,设有保护层54,采用释放层52、粘合层53和保护层54的三层键合胶结构。确保激光透过载体51辐照到释放层52上,不损伤粘合层53和保护层54后的晶圆55。
实施例超低功率激光拆8英寸的玻璃和硅片的键合
首先将10μm厚的保护层涂覆到400μm厚的硅晶圆上,将释放层材料旋涂到700μm厚的肖特AF 32玻璃上,释放层厚度0.3μm。待保护层及释放层固化后,将粘合层涂覆到释放层上,粘合层厚度10μm。最后将粘合层与保护层粘结。释放层和粘合层都采用JSR(捷时雅上海商贸有限公司)的TA系列临时键合材料。
采用波长355nm的LP102激光器,激光器脉宽为20纳秒。调节激光器功率因子,使激光输出功率为1.64W。用衍射光学元件将高斯光束整形成正方形平顶光束,扫描间距277μm,加工图案轮廓为直径为210mm的圆。激光重复频率为10kHz,振镜的扫描速度2.17m/s。利用CAD软件,求出图案总长度为125m,因此振镜加工的理论时间为57.6s,实际加工时间为58s加工效率达到60片/小时。辐照后,用真空装置吸附硅晶圆,然后用另一个真空吸附装置取下玻璃,实现晶圆和载体玻璃的分离。
由于紫外激光的光子能量高,当紫外纳秒激光辐照键合胶时,激光打断键合胶的化学键,平顶分布的激光光强均匀,键合胶被辐照的区域内各点断裂的化学键的数目接近;平顶分布的紫外激光辐照键合片后,键合胶失去黏性,键合的载体和晶圆分开。解决激光拆键合中,高斯光束带来的速度慢和过度损伤等问题。
本发明不仅避免了键合胶的损伤,改善了拆键合质量,而且提高了激光拆键合的加工效率。相同加工面积、单脉冲能量和脉宽下,加工时间与光斑面积成反比,因此加工效率与光斑面积成正比,平顶光束的加工效率比高斯光束高2.7倍。相同的加工效率要求下,平顶光束所需的激光功率低,因此平顶光束拆键合所需的激光器功率比高斯光束所需的功率低,拆键合系统成本低。功率为1.64W的拆键合系统,用来拆8英寸的玻璃和硅晶圆的键合片,使用高吸收率的激光型键合胶,效率能达到60片/小时,此效率能够较好满足封装要求。
需要说明的是:以上所述仅为本发明的优选实施方式,并非用以限定本发明的权利范围;同时以上的描述,对于相关技术领域的专门人士应可明了及实施,因此其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰,均应包含在申请专利范围中。
Claims (15)
1.利用平顶纳秒紫外激光拆键合的方法,其特征在于:激光以呈平顶分布的光斑辐照于键合片,所述键合片由载体、涂覆至载体的释放层、涂覆至释放层的粘合层、涂覆至晶圆的保护层以及晶圆键合形成。
2.根据权利要求1所述的利用平顶纳秒紫外激光拆键合的方法,其特征在于:所述保护层涂覆至晶圆上,不同于保护层的释放层涂覆至载体上,保护层及释放层固化后,将不同于保护层及释放层的粘合层涂覆到释放层上,再将粘合层与保护层相粘结。
3.根据权利要求1所述的利用平顶纳秒紫外激光拆键合的方法,其特征在于:所述光斑通过振镜快速移动。
4.根据权利要求1所述的利用平顶纳秒紫外激光拆键合的方法,其特征在于:所述辐照于键合片上的光斑面积为0.000824~0.419mm2。
5.根据权利要求1所述的利用平顶纳秒紫外激光拆键合的方法,其特征在于:所述平顶分布的光斑的尺寸形状为29.0~647μm的正方形。
6.根据权利要求1或2所述的利用平顶纳秒紫外激光拆键合的方法,其特征在于:所述载体的厚度大于300μm。
7.根据权利要求1或2所述的利用平顶纳秒紫外激光拆键合的方法,其特征在于:所述保护层的厚度为5~50μm。
8.根据权利要求1或2所述的利用平顶纳秒紫外激光拆键合的方法,其特征在于:所述释放层的厚度为0.1~1μm。
9.根据权利要求1或2所述的利用平顶纳秒紫外激光拆键合的方法,其特征在于:所述粘合层的厚度为10~50μm。
10.根据权利要求1所述的利用平顶纳秒紫外激光拆键合的方法,其特征在于:提供平顶分布光斑的激光设备包含沿光路依次布置的激光器、用以改变光束各点相位的衍射光学元件、振镜以及场镜。
11.根据权利要求10所述的利用平顶纳秒紫外激光拆键合的方法,其特征在于:还包含用于检测光斑的光束分析仪。
12.根据权利要求10所述的利用平顶纳秒紫外激光拆键合的方法,其特征在于:所述激光器是功率为1.64~4.99W的激光器。
13.根据权利要求10所述的利用平顶纳秒紫外激光拆键合的方法,其特征在于:所述激光器的重复频率为7.8~873kHz。
14.根据权利要求10所述的利用平顶纳秒紫外激光拆键合的方法,其特征在于:所述激光器的波长范围是343~355nm。
15.根据权利要求10所述的利用平顶纳秒紫外激光拆键合的方法,其特征在于:所述激光器的光束质量因子M2小于等于1.5。
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陈全胜: "《晶圆级3D IC工艺技术》", 31 October 2016 * |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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